公路桥梁设计中的安全性和耐久性

摘要：20世纪80年代至今是一个桥梁飞速发展的时代，公路在我国快速发展，人们对公路桥梁结构的标准化技术研究和设计的热情日益高涨，越来越多的桥梁需要我们去设计和建造。国内现行规范对桥梁设计提出的要求是适用、经济、安全、美观，这些要求基本上包含了人们关心的所有重要问题。文章针对国内公路桥梁的安全性和耐久性问题提出了几点措施和建议。

关键词：公路桥梁；安全性；耐久性

如今我国的桥梁建设特别是公路桥梁建设空前繁荣。展望我国公路建没的前景，公路桥梁保证其耐久性和安全性的新建、改建、加固的任务很重。在公路桥梁实际设计过程中，对于耐久性和安全性的设计更多的只是作为一种概念受到关注，既没有明确提出使用年限的要求，也没有明确声明在何种维护和使用条件下，桥梁具有哪种程度的耐久性；设计中考虑强度多而考虑耐久性少，施工中重视结构的建造而不重视结构的维护；这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果，造成许多桥梁达不到使用年限，就需加固维修。因此，加强公路桥梁的安全性和耐久性设计势在必行。

一、提高对桥梁结构耐久性与安全性设计的重视程度

结构的耐久性与安全性设计与结构设计有着本质的区别，耐久性与安全性的研究可以采用灰色分析法从定性分析向定量分析发展。由于桥梁在建造和使用过程中，必然会受到环境、有害化学物质的侵蚀，承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用，同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化，这些因素最终将导致桥梁结构各部分发生不同程度的损伤和劣化。国内从上世纪80年代以来修建了大量的斜拉桥，而目前已有多座大跨径斜拉桥因拉索的耐久性问题而提前换索，不仅影响了桥梁的正常使用更造成了不小的经济损失。发生这类现象，存在设计上的缺陷，特别是没有进行合理的耐久性设计是重要因素。因此我们要重视结构物的耐久性与安全性设计并将其作为重要的设计原则，统一考虑合理的结构布局和构造细节，从结构和设计的角度及如何以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性与安全性。从而有效避免此类现象的发生，提高桥梁的使用寿命。要强调公路桥梁设计的耐久性和安全性，使结果易于检查、维修，以保证桥梁的安全使用，尽可能地减少维修费用，取得较好的综合经济效益。

二、选择合理的设计方案

国内桥梁设计存在的主要问题是结构正常使用性能较差，可归结为适用性能差，包括桥梁的过大振动、线形不平顺、桥头跳车、结构开裂和过大的变形等，使用寿命短、维护费用高、安全事故较频繁等使得耐久性和安全性差。设计除考虑建造成本，注重设计建成时具有的工作能力和性能外，也应重视营运期的维护成本与使用寿命相对应的成本效益，加强从桥梁设计理念与结构体系和构造的角度做好耐久性与安全性的设计。合理的结构设计方案，可以有效提高桥梁的安全性和耐久性。桥梁的结构设计形式主要分为大跨度桥梁和标准跨径桥梁。大跨径桥梁由于控制因素不同，方案也各不相同，具有较强的个性特征，在实际工程中较少采用大跨径桥梁的设计方案。而标准跨径桥梁因具有施工方便、造价经济、预制装配等诸多优点，具有共性特征而应用广泛。我们要充分考虑到现阶段的施工、管理水平和材料工艺水平，选用适宜的桥型方案，采用适当的安全度、适当的设计方法来保证桥梁达到理想的使用性能。

三、重视桥梁的桩基设计

桥梁桩基的设计是否得当，对工程造价、质量、工期及使用影响很大。设计人员一定要考虑到每一个环节，统筹兼顾，从各方面使之合理化。好的基础设计既能保证耐久性和安全性，还能降低成本、提高经济效益。因为桥梁上部结构荷载通常较大，所以后期质量稳定、承载能力高的钻孔灌注桩往往是桥梁工程师首选的基础形式。桩基设计首先要根据地质报告提供的参数确定单桩承载力设计值，根据估算的单桩承载力进行桩基础设计并施工，等桩基施工结束后再挑选试桩进行静载荷试验。通过科学试验，取得准确数据后动态调整设计方案，这样能使设计方案更加合理、可行和经济，远远超过缩短工期所带来的效益。

四、做好公路桥梁的抗震设计

抗震设计是我国公路桥梁设计的重要内容。我国已新颁布了《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008），对公路桥梁抗震设计提出了新的要求。要确保公路桥梁在经受地震时达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的标准，必须进一步明确抗震设防的原则。首先要保证桥梁的整体性要好，上部结构应尽可能是连续的。良好的整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被振散掉落，同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。其次在不同构件和不同破坏模式之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异，确保结构在大地震下以延性形式反应，不发生脆性的破坏模式。最后为了消除地震期间结构落梁的可能性，在所有相邻框架之间的中间伸缩缝和支座式桥台处，应当提供必要的约束构件和足够的支座宽度。在抗震设计中，结构的刚度对称有利于抗震，不等跨的桥梁容易发生震害；在可能发生地震液化的地基上建桥时，应采用深基础，使桩或沉井穿过可能液化的土层，埋入较稳定密实的土层内；采用浅基的小桥和通道应加强下部的支撑梁板或做满河床铺砌；在高烈度区的大跨径桥梁，纵向梁间应设置消能设施，消能设施应有足够的强度，并能满足梁端位移要求。

五、在设计过程中，科学使用材料

桥梁存在的耐久性和安全性问题很大程度上与材料选择不合理有关。混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成，其中水灰比、水泥用量、强度等级均对耐久性有较大影响。《桥规》JTG D62明确规定了不同使用环境下结构混凝土的基本要求，对影响混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量和碱含量做出了限制规定，这是《桥规》JTG D62对公路桥涵结构耐久性设计的基本要求，设计时必须严格遵照执行。除按规范要求控制正常使用极限状态的工作裂缝外，更重要的是要采取构造措施，如适当加大钢筋的混凝土保护层厚度，保护钢筋免于锈蚀，避免混凝土施工及使用过程中工作裂缝的大量出现。同时，《桥规》JTG D62突出强调了加强水平防缩钢筋和箍筋在控制裂缝中的作用，提高水平防收缩钢筋的配筋率和箍筋间距的规定，是防止和控制收缩裂缝的重要构造措施。

六、重视超载问题

由于车辆荷载的变化和交通量的增加，超载问题在我国相当普遍。桥梁超载主要有三种情况：一是早期修建的老桥超龄负载运营；二是桥梁通行的车流量超过原设计；三是车辆违规超载。混凝土桥梁一直被认为具有足够的耐久性，但在汽车超载作用下，可能发生开裂。裂缝即使在荷载卸除后能够闭合，但由于混凝土结构内部已经受到损伤，构件的开裂弯距降低，引发桥梁疲劳，超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至导致结构破坏事故。于是在正常使用荷载作用下，本来不该开裂的结构产生裂缝或本来较小的裂缝成为超出规范允许的裂缝或引起较大的变形。由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，促使桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，最终危害桥梁的安全性和耐久性。因此应该在桥梁前期设计时充分考虑到公路桥梁在建成交付使用后所面临的超载问题，对超载带来的后果进行研究、分析，同时加强交管部门的管理。

七、积极借鉴欧美等先进国家的做法

欧美等西方发达国家在其经济社会发展进程中非常重视公路建设。当前，欧洲国家如德国、丹麦等非常重视对结构物进行性能设计（即PBD，Performance Based Design），内容包括结构的变形、裂缝、振动、强健性、美观、耐久性、疲劳性等。PBD重视以耐久性为核心的结构使用性能指标，研究为了使结构在运营过程中除了保证最低的安全性要求外，尚应有良好的使用性能，包括寿命和耐久性、抗腐蚀、耐疲劳性、美观等。他们在公路桥梁的设计方面积累了丰富的经验，取得了相当多的成功实例，同时也有很多失败的深刻教训。我们的工程设计人员应该博采众长，取长补短，积极借鉴国外的经验和成果，从桥梁设计理念和结构体系和构造的角度做好耐久性的设计。同时也需要研究疲劳和超载等因素对于桥梁结构耐久性的影响，避免走弯路，从而提高我国公路桥梁建设的成效。

八、结语

公路运输是抢救人民生命财产、尽快恢复生产和重建家园的重要环节。桥梁是交通的咽喉，其安全性和耐久性不足已成为迫切需要解决的问题。这就需要设计人员具有丰富的理论知识，坚持技术创新和可持续发展，总结经验，正视不足，从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性等方面进行设计，认真解决公路桥梁建设中所存在的问题并尽量避免主观经验因素对设计的影响。只有在切实做好公路桥梁工程设计工作的基础上，我国的公路桥梁建设技术才能展现更新、更高的水平。